專(zhuān)利名稱(chēng)：制備硅單晶的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于用切克勞斯基法(Czochralskimethod)制備硅單晶的方法和設(shè)備。
用切克勞斯基法制備硅單晶的方法已應(yīng)用至今，而且它已成為相當(dāng)完善的技術(shù)。
根據(jù)此技術(shù)，如眾所周知，將熔化的硅原料加至石英坩堝以后，使籽晶與熔融料的表面接觸，并使籽晶緩慢地邊旋轉(zhuǎn)邊從熔體中拉出，由此使接觸表面凝固，并使晶體長(zhǎng)大從而獲得圓柱形單晶。
根據(jù)用途不同為了使生產(chǎn)的硅單晶為P型或n型半導(dǎo)體，此時(shí)在熔融料中可以加入適量的摻雜劑，例如硼、銻或磷。然而，這種向硅單晶中加入摻雜劑的方法是不均勻的，以致硅單晶的部位越低，摻雜劑的濃度就越高。
除上述有意地向硅單晶加入摻雜劑之外，在制備過(guò)程中還不可避免地引入一些雜質(zhì)，如氧和碳，其存在量相當(dāng)大。換句話說(shuō)，由于向硅單晶引入氧能夠改善半導(dǎo)體的特性和產(chǎn)率，因而希望在硅單晶中從頂部到底部氧的含量均勻，但是通常晶體的部位越低氧的濃度變得越低。
這是由于隨著硅單晶的拉出坩堝中的熔融料在減少，而在坩堝熔融料中摻雜劑的濃度在增加和氧的濃度在減少。結(jié)果，在拉出和生長(zhǎng)的硅單晶中摻雜劑逐漸增加和氧逐漸減少，從而導(dǎo)致所生產(chǎn)的硅單晶的性能沿拉出方向變化。
當(dāng)對(duì)于成分規(guī)格要求嚴(yán)格時(shí)，由于這種摻雜劑和氧的分布不均勻，有可能使合格晶片的成品率降低至50%以下。
做為克服這些缺點(diǎn)的一種有效方法，已知可以連續(xù)或間斷地加入硅原料以使熔融料液面保持不變。例如，在日本公開(kāi)特許56-84397號(hào)和56-164097號(hào)中公開(kāi)的發(fā)明就是這種一面連續(xù)地或間斷地加入硅原料一面拉制硅單晶的方法。
前者發(fā)明是關(guān)于制備單晶的方法，是在坩堝里熔融的原料中浸入原料錠，此原料錠是從與熔融原料組成相同的熔融料中拉出的單晶，并且具有與恒速下生長(zhǎng)的理想單晶相同的形態(tài)。
另一方面，后者發(fā)明是關(guān)于單晶的拉制設(shè)備，它裝備有熔融料加料器，由此一粉末樣品進(jìn)料管在外面插在一隔熱管中，粉末樣品在粉末樣品進(jìn)料管的前端短暫停留并熔化，由此間斷地將熔融料供給坩堝，但這種方法由于遇到技術(shù)困難并沒(méi)有付諸實(shí)際使用。
近年來(lái)制備高質(zhì)量的顆粒多晶硅已成為可能，并認(rèn)為向熔融原料以恒定速率連續(xù)地供入這種顆粒硅是比較容易的，可參閱日本公開(kāi)特許58-172289號(hào)。然而，由于顆粒硅落在熔融原料表面引起從顆粒硅開(kāi)始凝固這一事實(shí)，用此方法連續(xù)供入顆粒硅和生成單晶原則上是不可能的。由落入的顆粒硅開(kāi)始凝固的原因列舉如下(a)拉單晶時(shí)熔體溫度剛好高于硅的熔點(diǎn)，這一點(diǎn)可由前面指出的原理看出。
(b)硅的比重固態(tài)比液態(tài)小，因此顆粒硅漂浮在熔融料表面。
(c)硅的熱輻射系數(shù)固態(tài)比液態(tài)大。
換句話說(shuō)，顆粒硅漂浮在溫度剛好高于其凝固點(diǎn)的熔融硅表面，這樣熱量以輻射熱形式由顆粒硅迅速散出，因而凝固作用圍繞漂浮的顆粒硅發(fā)展。此外，由顆粒硅的落入而引起的波浪也導(dǎo)致發(fā)生問(wèn)題。
另一方面，日本公開(kāi)特許56-88896號(hào)和58-36997號(hào)公開(kāi)的發(fā)明在氧化物半導(dǎo)體領(lǐng)域已為人們所知。根據(jù)這些發(fā)明，拉制晶體的直徑小，這樣可以使用一種雙型小金屬坩堝，這種雙型坩堝可以直接采用感應(yīng)加熱，由此避免了熔體在坩堝中間凝固。然而，在硅單晶的情況下由于拉制單晶的直徑大、成本高和出現(xiàn)沾污等原因不可能使用金屬坩堝，因此普遍使用高純度的石英坩堝。所以，這種感應(yīng)加熱法不能用于制備硅單晶。
另一方面，日本公開(kāi)特許58-130195號(hào)公開(kāi)的發(fā)明采用雙結(jié)構(gòu)型石英坩堝，初看起來(lái)似乎能免除在原料芻糠種械哪套饔謾Ｈ歡縟氈竟匭 2-241889號(hào)(第2頁(yè)，第12-16行“本發(fā)明所解決之問(wèn)題”)所指出的，在內(nèi)坩堝中與熔融料表面接觸部分的凝固問(wèn)題仍然沒(méi)有解決。
此外，根據(jù)此發(fā)明，硅原料進(jìn)料管插在內(nèi)和外坩堝之間，這樣原料的供給是通過(guò)浸在熔融料中的此進(jìn)料管在內(nèi)坩堝的外側(cè)進(jìn)行。用這種供料方法，盡管加熱至高溫，硅原料在熔融料表面也不會(huì)瞬時(shí)熔化，這種固態(tài)原料就這樣在進(jìn)料管內(nèi)聚集起來(lái)。一旦發(fā)生這種積聚，在顆粒之間以及在原料和進(jìn)料管內(nèi)壁之間就會(huì)引起燒結(jié)問(wèn)題，這樣就使連續(xù)供料不能進(jìn)行。由于這些原因，此發(fā)明至今還未付諸實(shí)踐。
日本公開(kāi)特許63-95195號(hào)所公開(kāi)的發(fā)明是對(duì)上述發(fā)明(日本公開(kāi)特許58-130195號(hào))的改進(jìn)。此發(fā)明是這樣構(gòu)成的，用環(huán)形隔板使坩堝內(nèi)部分隔成晶體生長(zhǎng)區(qū)和原料熔化區(qū)，且一面向原料熔化區(qū)加入顆粒原料一面進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。對(duì)日本公開(kāi)特許58-130195號(hào)發(fā)明的改進(jìn)在于，將第二個(gè)環(huán)形加熱器安置在坩堝底部以防止加入的原料凝固和便于其熔化。然而，根據(jù)此發(fā)明在隔板內(nèi)側(cè)從與熔融料表面的接觸部分開(kāi)始的凝固問(wèn)題甚至至今沒(méi)有徹底解決。
與上述發(fā)明(日本公開(kāi)特許58-130195號(hào)和63-95195號(hào))相類(lèi)似的還包括日本公開(kāi)實(shí)用新型59-141578號(hào)和日本公開(kāi)特許62-241889號(hào)所公開(kāi)的發(fā)明以及《材料科學(xué)年評(píng)》(Ann.ReV.Mater.Sci.)1987年第17卷第273-279頁(yè)的論文所介紹的發(fā)明。第一個(gè)發(fā)明(日本公開(kāi)實(shí)用新型59-141578號(hào))給出，環(huán)形物在熔融料或熔體中漂浮。然而，在該發(fā)明中，在拉單晶區(qū)和顆粒原料進(jìn)料區(qū)之間在浮動(dòng)環(huán)下面有熔體對(duì)流，而且浮動(dòng)環(huán)外側(cè)的溫度原則上剛好達(dá)到高于硅的熔點(diǎn)，它與拉單晶區(qū)的溫度大體上相等。這樣，由在熔體表面漂浮的顆粒硅開(kāi)始的凝固這一基本問(wèn)題完全沒(méi)有解決。此外，由浮動(dòng)環(huán)開(kāi)始的凝固發(fā)展問(wèn)題也沒(méi)有解決，正如在第二個(gè)發(fā)明的說(shuō)明書(shū)(日本公開(kāi)特許公報(bào)62-241889號(hào)，“本發(fā)明解決之問(wèn)題”，第12-16行)中指出的那樣，而僅僅解決了波浪問(wèn)題。
另一方面，第二個(gè)發(fā)明(日本公開(kāi)特許62-241889號(hào))給出了沿坩堝外側(cè)的垂直槽裝置以便通過(guò)坩堝的通孔向坩堝供入硅原料。然而，這種垂直槽的原料熔化區(qū)的體積太小，以致如果具有很高熔化潛熱的硅原料連續(xù)進(jìn)料，最終不可能再熔化原料。此外，孔接近于熔融料表面，這樣不同濃度的熔體被帶著對(duì)流直接運(yùn)動(dòng)至單晶界面，如此易于引起濃度變化，從而妨礙高質(zhì)量晶體的生長(zhǎng)。此外，此發(fā)明需要加工石英坩堝，加工費(fèi)很高，因此增加了費(fèi)用。
在論文(《材料科學(xué)年評(píng)》，1987，卷17，第273-279頁(yè))中所評(píng)述的發(fā)明分別采用雙坩堝和固定型以及浮動(dòng)型分隔環(huán)，但從分隔環(huán)開(kāi)始的凝固問(wèn)題仍然沒(méi)有解決。
另一方面，在日本公開(kāi)特許61-36197號(hào)中公開(kāi)的發(fā)明給出，坩堝被分隔環(huán)分開(kāi)，保溫罩僅配置在原料熔化區(qū)周邊的上方以增加熔化區(qū)溫度并由此加速原料的熔化。然而，該發(fā)明只用做原料熔化區(qū)的保溫，硅單晶拉制期間分隔環(huán)內(nèi)側(cè)被冷卻并由此從分隔環(huán)開(kāi)始凝固的問(wèn)題沒(méi)有解決。
如果一面連續(xù)地和直接地向坩堝供給顆粒硅一面拉出單晶，將會(huì)遇到下列困難(1)在拉制硅單晶期間當(dāng)熔體溫度達(dá)到大體接近硅的熔點(diǎn)時(shí)，在這種條件下如果將溫度接近室溫的顆粒硅連續(xù)地加入分隔環(huán)的外側(cè)，則顆粒硅不再熔化，因此固態(tài)顆粒硅就這樣漂浮在熔體表面，而熔體就以這種顆粒硅為核凝固并長(zhǎng)大。
(2)當(dāng)顆粒硅熔化區(qū)和單晶拉出區(qū)被分隔開(kāi)時(shí)，由于所謂的“散熱片作用”以及熱輻射系數(shù)比硅熔體高，凝固作用傾向于從該隔板部分發(fā)生，這樣一旦發(fā)生凝固，凝固物料將繼續(xù)長(zhǎng)大，無(wú)缺陷硅單晶的生長(zhǎng)受到阻礙。
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明的主要目的是提供制備硅單晶的方法和設(shè)備，通過(guò)向裝有熔融原料的坩堝連續(xù)供給顆粒狀或小塊狀原料硅，在坩堝中保證顆粒狀或小塊狀硅原料被熔化以防止液體從隔板部分凝固和不妨礙硅單晶的生長(zhǎng)，由此制備具有摻雜劑濃度以及氧濃度在拉出方向基本不變的硅單晶。
為此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種硅單晶的制備方法，其中盛有熔融硅的坩堝被分隔成內(nèi)單晶生長(zhǎng)區(qū)和外加料區(qū)以使熔融硅移動(dòng)緩慢，并且一面連續(xù)地加入硅原料，一面從單晶生長(zhǎng)區(qū)拉制出硅單晶，本方法具有韻綠氐悖 (1)加料區(qū)和熔融硅的溫度保持在比硅的熔點(diǎn)高出至少12℃以上。
(2)在本方法中，提供保溫材料以覆蓋住隔板從熔融料表面露出的部分和覆蓋住隔板的加料區(qū)一側(cè)。
(3)將大體環(huán)形的加熱器安置在加料區(qū)上方和隔板的上方以覆蓋住它們，通過(guò)該加熱器的加熱保持隔板和加料區(qū)熔融硅的溫度高于單晶生長(zhǎng)區(qū)熔融硅的溫度。
(4)坩堝中的熔融硅通過(guò)安置在坩堝外面的加熱器加熱，與此同時(shí)在加料區(qū)中的熔融硅通過(guò)安置在加料區(qū)中的加熱器加熱，其方式是將部分加熱器浸在加料區(qū)的熔融硅中。
(5)在上述(1)至(4)中，在坩堝中的熔融硅通過(guò)安置在坩堝外圍的加熱器以及安置在坩堝下面的加熱器加熱。
(6)進(jìn)而在上述(1)至(5)中，在加料區(qū)中熔融硅與坩堝之間的接觸面積配置為在整個(gè)坩堝中熔融硅與坩堝之間接觸面積的30-75%，以及在加料區(qū)中熔融硅的自由表面積配置為在整個(gè)坩堝中熔融硅自由表面積的10-70%。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了實(shí)現(xiàn)上述方法的設(shè)備，用以從坩堝熔融硅中拉制硅單晶，本設(shè)備具有以下特點(diǎn)(1)提供了一種至少有一個(gè)小孔通過(guò)的隔板裝置，它安置在坩堝內(nèi)部環(huán)繞著被拉出的硅單晶，并且將坩堝分隔成單晶生長(zhǎng)區(qū)和加料區(qū)，顆粒硅加料器安置在加料區(qū)上方，保溫裝置覆蓋住隔板從熔體表面露出的部分和覆蓋住加料區(qū)，以及分別加熱坩堝側(cè)壁和底部的加熱器。
(2)提供了具有至少一個(gè)小孔通過(guò)的隔板裝置，并安置在坩堝內(nèi)部將坩堝分隔成單晶生長(zhǎng)區(qū)和加料區(qū)，顆粒硅加料器安置在加料區(qū)上方，大體環(huán)形的加熱器安置在加料區(qū)的以及隔板的上方以覆蓋住它們，以及分別加熱坩堝側(cè)壁和底部的加熱器。
(3)提供了具有至少一個(gè)小孔通過(guò)的隔板裝置，它被安置在坩堝內(nèi)部以圍繞被拉制的硅單晶和將坩堝分隔成單晶生長(zhǎng)區(qū)和加料區(qū)，安置在加料區(qū)上方的顆粒硅加料器，安裝方式為部分浸在加料區(qū)熔融硅中而且還可相對(duì)于坩堝垂直運(yùn)動(dòng)的加熱器，以及加熱坩堝側(cè)壁的加熱器。
(4)提供了圓筒形加熱器，它被安置在坩堝內(nèi)圍繞被拉制的硅單晶并與坩堝底部形成縫隙，并將坩堝分隔成單晶生長(zhǎng)區(qū)和加料區(qū)，以及安置在加料區(qū)上方的顆粒硅加料器。
(5)在上述(1)至(4)中，在加料區(qū)中熔融硅與坩堝間的接觸面積配置為在整個(gè)坩堝中熔融硅與坩堝間接觸面積的30-75%，以及在加料區(qū)中熔融硅的自由表面積配置為在整個(gè)坩堝中熔融硅自由表面積的10-70%。


圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的縱剖面視圖。
圖2是沿圖1Ⅰ-Ⅰ線的剖面視圖。
圖3是表示隔板的一個(gè)實(shí)施方案的側(cè)視圖。
圖4是表示保溫板的一個(gè)實(shí)施方案的帶有局部剖面的側(cè)視圖。
圖5是表示顆粒硅熔化時(shí)間與硅熔點(diǎn)以上的溫升之間關(guān)系的圖表。
圖6至圖11分別為本發(fā)明其他實(shí)施方案的縱剖面視圖以及它們的Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ和Ⅳ-Ⅳ剖視圖。
圖12是表示圓筒形加熱器的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
圖13是表示在加料區(qū)的以及在整個(gè)坩堝中的熔體接觸面積與熔體表面積之間關(guān)系的曲線。
圖14(a)和(b)分別表示隔板實(shí)施方案的縱剖面視圖和俯視圖。最佳實(shí)施方案的描述圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的縱剖面視圖，圖2是沿圖1Ⅰ-Ⅰ線取的剖視圖。圖中標(biāo)號(hào)1表示石英坩堝，它裝在石墨坩堝2里面，而石墨坩堝2又支承在可以垂直運(yùn)動(dòng)也可以轉(zhuǎn)動(dòng)的支座3上。標(biāo)號(hào)4表示裝在坩堝1中的熔融料，生長(zhǎng)成倉(cāng)蔚墓璧ゾ 從熔融料中拉出。標(biāo)號(hào)6表示圍繞石墨坩堝2的加熱器，7是圍繞加熱器6的熱區(qū)隔熱材料。這些構(gòu)件均安置在爐體8中，它們基本上與切克勞斯基法制備硅單晶的常規(guī)設(shè)備相同。
標(biāo)號(hào)11表示環(huán)形隔板，它由高純度的石英制成和同心地安置在坩堝1中，它被加工成具有一個(gè)或更多個(gè)小孔12，小孔大體上位在比垂直方向中心部位較低的區(qū)域，如圖3實(shí)施例所示。隔板11在裝料期間與原料一起被置于坩堝1中，原料熔化之后隔板11配置在熔體4中使其圍繞著硅單晶5，并使其上沿由熔體表面稍微露出一些。此外，其下沿部分實(shí)際上與坩堝1熔合在一起，這樣它就沒(méi)有漂浮的可能性。結(jié)果，在隔板11外側(cè)(下文中稱(chēng)做加料區(qū)B)的熔融料只能通過(guò)小孔12緩慢地流入內(nèi)側(cè)(下文中稱(chēng)做單晶生長(zhǎng)區(qū)A)，這樣加料區(qū)B和單晶生長(zhǎng)區(qū)A便可令人滿意地分隔開(kāi)。
標(biāo)號(hào)9表示爐體8上的一個(gè)開(kāi)孔，它與加料區(qū)B的熔體表面相對(duì)應(yīng)，在開(kāi)孔9中固定地插入加料器13用以加入顆粒狀或塊狀硅原料(下文稱(chēng)做顆粒硅)，加料器13的前端對(duì)著加料區(qū)B的熔體表面。加料器13與安置在爐體8外面的加料室(未畫(huà)出)相連接，由此連續(xù)地給加料區(qū)B加入顆粒硅16。
標(biāo)號(hào)14和15表示溫度檢測(cè)器(例如，輻射溫度計(jì))，它們放置在爐體8的上方，用溫度檢測(cè)器14測(cè)定加料區(qū)B的熔體表面溫度，用另一溫度檢測(cè)器15測(cè)定單晶生長(zhǎng)區(qū)A的熔體表面溫度。
標(biāo)號(hào)17表示保溫板，它由高強(qiáng)度的石墨板組成，如圖4所示。應(yīng)該指出，從防止沾污的觀點(diǎn)出發(fā)，此石墨板的較低處表面或整個(gè)表面最好覆蓋一層，例如約3毫米厚的高純度石英，或者高純度碳化硅(SiC)或氮化硅(Si3N4)的表面涂層。保溫板17的外周邊固定在熱區(qū)隔熱元件7上，并使其包圍隔板11和加料區(qū)B。保溫板17以這樣方式安裝，即使其底部(內(nèi)周邊)接近熔體表面(在本實(shí)施方案中距離約為10毫米)從而防止熔融料在隔板11自熔體中露出的部分發(fā)生凝固和提高對(duì)于在加料區(qū)B中熔體的保溫效果。標(biāo)號(hào)18表示一個(gè)與溫度檢測(cè)器14的視野相對(duì)應(yīng)的孔，19是位于顆粒硅16的進(jìn)料通道上的一個(gè)孔。
根據(jù)本發(fā)明加熱器20(它與加熱器6是分開(kāi)的)安置在石墨坩堝2的底部，而坩堝1置于坩堝2內(nèi)，由此比較可靠地控制單晶生長(zhǎng)區(qū)A和加料區(qū)B的熔體表面溫度。通過(guò)調(diào)節(jié)加熱器6和20，顆粒硅16在加料區(qū)B中能可靠地被熔化和在單晶生長(zhǎng)區(qū)A中的熔體能保持溫度在不影響硅單晶生長(zhǎng)的狀況下。
在如上面描述的本發(fā)明的實(shí)施方案中，熔融料4包含在置于坩堝1中的隔板11的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，這些熔體的液面保持在相同的高度。當(dāng)籽晶在單晶生長(zhǎng)區(qū)A中與熔體表面接觸之后，使籽晶緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)和由熔體中拉出，隨著接觸液面的凝固同時(shí)發(fā)生晶體生長(zhǎng)，這樣便生產(chǎn)出圓柱形硅單晶5。此間，顆粒硅16由加料器13連續(xù)地進(jìn)入加料區(qū)B的熔體表面，這樣顆粒硅16在加料區(qū)B被熔體熔化，它通過(guò)隔板11上的小孔12緩慢地流入單晶生長(zhǎng)區(qū)A，由此保持熔融料4的液面水平始終不變。這樣，通過(guò)隔板11可以防止由于在加料區(qū)B向熔體表面加入顆粒硅16而引起的任何波動(dòng)，也沒(méi)有任何波浪傳播至單晶生長(zhǎng)區(qū)A。
加料器13的低端安置在熔體表面上方使顆粒硅16落入熔體表面，這一事實(shí)的目的是使顆粒硅16漂浮在加料區(qū)B的全部熔體表面上，并使其在加料區(qū)B的整個(gè)區(qū)域中被熔化。假如加料器13的前端浸在熔體中，則顆粒硅16的熔化區(qū)域被限制在加料管內(nèi)部，這樣就導(dǎo)致由熔體傳遞給顆粒硅16的熱量不足，并且使顆粒硅16不能連續(xù)地被熔化。
對(duì)于上述實(shí)施方案，在隔板11上的小孔12的直徑和數(shù)目下面必須給以考慮。如果小孔12的直徑過(guò)大或者其數(shù)目過(guò)多，則會(huì)在單晶生長(zhǎng)區(qū)A與加料區(qū)B之間引起熔體對(duì)流。也就是說(shuō)，在單晶生長(zhǎng)區(qū)A中的低溫熔體流入加料區(qū)B，這樣很難保持加料區(qū)B的熔體溫度高于硅的熔點(diǎn)12℃以上，正如后面將要描述的那樣。在本實(shí)施方案中，小孔12的直徑為5毫米，小孔數(shù)目為2。
溫度測(cè)定的試驗(yàn)結(jié)果表明，為拉出無(wú)缺陷硅單晶5，同時(shí)防止連續(xù)加入顆粒硅16時(shí)引起熔體凝固以及防止圍繞隔板11發(fā)生熔體凝固，在加料區(qū)B的熔體溫度必須比硅的熔點(diǎn)至少高12℃;如圖5所示。為此，根據(jù)本發(fā)明，提供保溫板17是為了防止圍繞隔板11發(fā)生凝固，以及為減少在加料區(qū)B的熔體的熱輻射，從而保證保溫效果;此外，在石墨坩堝2的外邊安置加熱器6和20，以同時(shí)保證在石英坩堝1中顆粒硅16的熔化和硅單晶5的生長(zhǎng)。換句話說(shuō)，加熱器6安置在坩堝1的側(cè)面和加熱器20安置在坩堝1的底部，它們發(fā)揮各自的作用辭罷呤菇爰恿锨鳥(niǎo)的顆粒硅16熔化，后者調(diào)節(jié)單晶生長(zhǎng)區(qū)A的溫度，一面用溫度檢測(cè)器14和15分別測(cè)定兩個(gè)熔體表面溫度一面用加熱器20和6分別控制單晶生長(zhǎng)溫度和顆粒硅熔化溫度(比硅的熔點(diǎn)至少高12℃以上)。
圖6是表示本發(fā)明另一實(shí)施方案的縱剖面視圖，圖7是沿圖6Ⅱ-Ⅱ線取的剖面視圖。本實(shí)施方案與圖1實(shí)施方案的差別在于，將加熱器21安置在加料區(qū)B以及隔板11的上方以便覆蓋住它們，它包括，例如電阻加熱型的大體環(huán)形的石墨加熱元件。在裝載原料硅期間，加熱器21向上移動(dòng)至坩堝的上方或坩堝1向下移動(dòng)以便于裝料。同樣，當(dāng)原料硅熔化時(shí)，加熱器21向下移動(dòng)或坩堝向上移動(dòng)。加熱器21的一部分(位于加料區(qū)B的上方)給加料區(qū)B的熔體4加熱，位于隔板11上方的另一部分通過(guò)輻射熱給隔板11的頂部加熱。加熱器21可以包括鎳鉻電熱絲或效果相同的類(lèi)似物。應(yīng)當(dāng)指出，在本實(shí)施方案中不需要如圖1實(shí)施方案中所示的保溫板17。
在本實(shí)施方案中，通過(guò)控制加熱器6和加熱器21使加料區(qū)B的熔體表面以及隔板11的頂部保持在高溫下，加料區(qū)B的熔體溫度保持在高于硅的熔點(diǎn)至少12℃以上以確保顆粒硅16熔化，并防止在單晶生長(zhǎng)區(qū)A自隔板11發(fā)生凝固，從而使熔體保持在不影響硅單晶5生長(zhǎng)的溫度下。
圖8是表示本發(fā)明另一實(shí)施方案的縱剖面視圖，圖9表示沿圖8Ⅲ-Ⅲ線所取的剖面視圖。除加熱器22之外，此實(shí)施方案與圖1的實(shí)施方案相同。加熱器22包括有，例如電阻加熱元件，它被加工成大體上馬蹄形，其斷面為L(zhǎng)形，表面覆蓋以高純度的石英玻璃或類(lèi)似物。在裝載原料硅期間，加熱器22向上移動(dòng)至坩堝的上方或坩堝向下移動(dòng)以便于加料，而當(dāng)原料硅熔化時(shí)，加熱器22向下移動(dòng)或坩堝向上移動(dòng)，以使加熱器浸在隔板11的外側(cè)加料區(qū)B的熔體4中至大體上在垂直方向的中間部位。加熱器22浸在熔體4中的部分給加料區(qū)B的熔體4加熱，未浸入熔體4的部分通過(guò)輻射熱給隔板11的頂部加熱。應(yīng)指出，在本實(shí)施方案中去掉了安置在坩堝1底下的加熱器20。
在本實(shí)施方案中，通過(guò)控制加熱器22和加熱器6，使加料區(qū)B的熔體溫度保持在高于硅的熔點(diǎn)至少12℃以上，使顆粒硅可靠熔化和在單晶生長(zhǎng)區(qū)A中熔體保持在不影響硅單晶5生長(zhǎng)的溫度下。
關(guān)于圖10和圖11，圖10是表示本發(fā)明又一實(shí)施方案的縱剖面視圖，圖11是沿圖10的Ⅳ-Ⅳ線所取的剖面視圖。本實(shí)施方案與圖1實(shí)施方案的不同在于，本實(shí)施方案提供了一個(gè)圓筒形加熱器23，它是由，例如用高純度石英玻璃包覆的電阻加熱元件組成(如圖12所示)。圓筒形加熱器23與坩堝1同心放置，使其外周邊加熱的溫度高于其內(nèi)周邊。在裝載原料硅期間，圓筒形加熱器23向上移動(dòng)或坩堝1向下移動(dòng)以便于加料，而當(dāng)原料硅已經(jīng)熔化時(shí)，圓筒形加熱器23向下移動(dòng)或坩堝向上移動(dòng)使加熱器23浸在熔體4中，并使它有一部分露在外面。此時(shí)，坩堝1被分隔為單晶生長(zhǎng)區(qū)A和加料區(qū)B，在圓筒形加熱器23的加料區(qū)側(cè)面的熔體被加熱至溫度高于單晶生長(zhǎng)區(qū)A側(cè)面的熔體溫度，通過(guò)在坩堝1較低部分的縫隙熔體緩慢地向單晶生長(zhǎng)區(qū)A運(yùn)動(dòng)。
在本實(shí)施方案中，通過(guò)控制圓筒形加熱器23和加熱器6，使加料區(qū)B熔體的溫度保持在比硅熔點(diǎn)至少高12℃以上，使顆粒硅可靠熔化，以及在單晶生長(zhǎng)區(qū)A的熔體也保持在不影響硅單晶生長(zhǎng)的溫度下。
此外，在一面加入原料一面生長(zhǎng)單晶的這類(lèi)硅單晶的制備方法中，基本的要求是，所加入的顆粒硅熔化要可靠而且不會(huì)引起任何惡果，例如不會(huì)引起硅單晶生長(zhǎng)區(qū)的任何溫度變化。為此目的，將坩堝分隔成加料區(qū)和單晶生長(zhǎng)區(qū)是個(gè)有效的方法，但是如果這種分隔不適當(dāng)，則得到的結(jié)果不會(huì)令人滿意，如前面關(guān)于已有技術(shù)用實(shí)例所描述過(guò)的那樣。當(dāng)隔板置于坩堝中將坩堝分隔成加料區(qū)和單晶生長(zhǎng)區(qū)時(shí)，在加料區(qū)中熱量的運(yùn)動(dòng)是這樣的，即熱量基本上從熔體與坩堝間的接觸面(SBs)釋放出來(lái)，并且熱量消耗于熔化加入的顆粒硅。因此，如果接觸面(SBs)增加，則熱量輸入也增加，這對(duì)于熔化顆粒硅是有利的。然而，如果接觸面(SBs)增加過(guò)大，則對(duì)于晶體生長(zhǎng)區(qū)輸入的熱量被減少，這樣就會(huì)發(fā)生問(wèn)題。與此相反，如果自由表面積(STs)減少，則輸出熱量減少，從物料熔化的觀點(diǎn)出發(fā)這也是有利的。
本發(fā)明的發(fā)明者根據(jù)上述概念已進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，而且成功地將坩堝分隔開(kāi)以保證面積SBs和STs合適，由此使顆粒硅熔化可靠。
此外，根據(jù)溫度測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在加料區(qū)B中熔體的溫度必須比硅的熔點(diǎn)至少高12℃以上，如圖5所示，以便拉制出無(wú)缺陷的硅單晶，且同時(shí)防止由于連續(xù)加入顆粒硅而發(fā)生熔體凝固以及防止隔板周?chē)l(fā)生凝固(如上面所指出的)。為此，通過(guò)試驗(yàn)在本實(shí)施方案中已獲得了分隔方法，此方法可以防止在隔板從熔體露出的部分發(fā)生凝固，和能夠使加入的顆粒硅可靠熔化，以及保證上面指出的熔體溫度。
圖13給出了此結(jié)果。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了熔化顆粒硅和在單晶生長(zhǎng)區(qū)A中生長(zhǎng)硅單晶，必須將坩堝按這種方式分隔開(kāi)，即使在加料區(qū)B中熔體與坩堝1的接觸部分的面積(SBs)配置為在整個(gè)坩堝中熔體與坩堝1接觸部分的面積(SB)的30-75%，使在加料區(qū)B中熔體的自由表面積(STs)是在整個(gè)坩堝中全部熔體的自由表面積(ST)的10-70%(注意STs/ST比值的下限是根據(jù)向熔體表面加入顆粒硅所需的最小空間確定的)。如果STs/ST比值大，而SBs/SB比值過(guò)小，則加料區(qū)B不能保證所要求的熔體溫度(高于硅的熔點(diǎn)12℃以上)。另一方面，如果STs/ST比值小，且SBs/SB比值過(guò)小，則在單晶生長(zhǎng)區(qū)A中熔體凝固。因此，滿足上述比值SBs/SB和STs/ST或分隔條件是隔板11定型的唯一要求。
圖14表示試驗(yàn)中所應(yīng)用的典型隔板11的縱剖面形狀和橫截面形狀。將縱剖面形狀與橫截面形狀結(jié)合起來(lái)可得到不同形狀的隔板11，通過(guò)使用這些隔板11已在實(shí)際加入顆粒硅時(shí)成功地拉制出硅單晶。
在上述的實(shí)施方案中，使用單加料器13連續(xù)地向加料區(qū)B的熔體表面加入顆粒硅原料16，也可以提供兩個(gè)或多個(gè)加料器13。應(yīng)當(dāng)指出，所加入的顆粒硅16包含有摻雜劑，其量與拉制硅單晶中的含量相一致，因?yàn)檫@一點(diǎn)對(duì)于用加入顆粒硅拉制硅單晶的方法來(lái)說(shuō)是當(dāng)然的事情，所以前面沒(méi)有描述過(guò)。因此，在加料區(qū)中熔體的摻雜劑濃度與拉制的硅單晶的摻雜劑濃度相等。此外，已經(jīng)證實(shí)，本發(fā)明甚至在從爐體8的外面對(duì)熔體施加磁場(chǎng)的情況下也可令人滿意地進(jìn)行。
從以上的描述可以看出，根據(jù)本發(fā)明可以拉制出無(wú)缺陷的硅單晶，其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將坩堝通過(guò)隔板裝置分隔成內(nèi)區(qū)和外區(qū)以連續(xù)地給加料區(qū)熔體表面加入顆粒硅，這樣所加入的顆粒硅被熔化和運(yùn)動(dòng)至單晶生長(zhǎng)區(qū)從而保持熔融硅的液面高度不變并同時(shí)消除溫度變化和濃度變化，通過(guò)采用保溫板及兩個(gè)加熱器、環(huán)形加熱器元件或L形加熱器元件或反過(guò)來(lái)用圓筒形加熱器代替隔板等措施使加料區(qū)熔體的溫度保持在高于硅的熔點(diǎn)至少12℃以上，甚至在加料區(qū)連續(xù)加入顆粒硅時(shí)也防止了波浪向單晶生長(zhǎng)區(qū)的傳播。
如此，本發(fā)明的工作具有很大效果，通過(guò)保證在拉出方向質(zhì)量均勻生產(chǎn)得到改善，生產(chǎn)率獲得提高等等。
應(yīng)該指出，通過(guò)調(diào)整在加料區(qū)熔體與坩堝之間的接觸面積(SBs)為在整個(gè)坩堝中熔體與坩堝之間的接觸面積(SB)30-75%以及調(diào)整在加料區(qū)熔體的自由表面積(STs)為在整個(gè)坩堝中全部熔體的自由表面積(ST)的10-70%將能獲得更大的效果。
權(quán)利要求
1.一種硅單晶的制備方法，其中包括將盛有熔融硅的坩堝分隔成內(nèi)單晶生長(zhǎng)區(qū)和外加料區(qū)以使熔融硅運(yùn)動(dòng)緩慢，以及一面向加料區(qū)連續(xù)地加入硅原料-面由單晶生長(zhǎng)區(qū)拉出硅單晶，其中改進(jìn)包括加料區(qū)和熔融硅的溫度保持在高于硅的熔點(diǎn)至少12℃以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其中提供保溫裝置以覆蓋隔板從熔融硅表面露出的部分以及所述隔板的加料區(qū)一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其中所述隔板和加料區(qū)熔融硅的溫度通過(guò)安置在加料區(qū)和隔板上方以覆蓋住兩者的大體環(huán)形的加熱器的加熱保持在高于單晶生長(zhǎng)區(qū)熔融硅的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其中坩堝中的熔融硅用安置在所述坩堝外面的加熱器加熱，以及其中加料區(qū)中的熔融硅冒倉(cāng)迷詡恿锨械牧硪患尤繞骷尤齲ㄆ浞絞轎糠旨尤繞鶻詡恿锨娜廴詮柚校
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)的制備方法，其中在坩堝中的熔融硅用安置在坩堝外面的加熱器以及安置在坩堝下面的另一加熱器加熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)的制備方法，其中在加料區(qū)中熔融硅和坩堝的接觸面積配置為在整個(gè)坩堝中熔融硅與坩堝的接觸面積的30-75%，以及其中在加料區(qū)中熔融硅的自由表面積配置為在整個(gè)坩堝中熔融硅的自由表面積的10-70%。
7.通過(guò)拉出盛在坩堝中的熔融硅來(lái)生產(chǎn)硅單晶的一種硅單晶制備設(shè)備，其中改進(jìn)包括具有至少一個(gè)小通孔的隔板，此隔板安置在坩堝內(nèi)使其包圍著從坩堝中拉出的硅單晶和使坩堝分隔成單晶生長(zhǎng)區(qū)和加料區(qū);安置在所述加料區(qū)上方的顆粒硅加料器;用以覆蓋住所述隔板從熔融硅表面露出的部分和加料區(qū)的保溫裝置;和分別加熱坩堝側(cè)壁和坩堝底的加熱器。
8.通過(guò)拉出盛在坩堝中的熔融硅來(lái)生產(chǎn)硅單晶的一種硅單晶制備設(shè)備，其中改進(jìn)包括具有至少一個(gè)小通孔的隔板，此隔板安置在坩堝內(nèi)使坩堝分隔成單晶生長(zhǎng)區(qū)和加料區(qū);安置在加料區(qū)上方的顆粒硅加料器;安置在加料區(qū)和隔板上方以覆蓋住兩者的大體環(huán)形的加熱器;和分別加熱坩堝側(cè)壁和坩堝底的加熱器。
9.通過(guò)拉出盛在坩堝中的熔融硅來(lái)生產(chǎn)硅單晶的一種硅單晶制備設(shè)備，其中改進(jìn)包括具有至少一個(gè)小通孔的隔板，此隔板安置在坩堝內(nèi)使其包圍著從坩堝中拉出的硅單晶和使坩堝分隔成單晶生長(zhǎng)區(qū)和加料區(qū);安置在加料區(qū)上方的顆粒硅加料器;安置在加料區(qū)內(nèi)部的加熱器，使其一部分浸在加料區(qū)的熔融硅中，所述的加熱器可以相對(duì)于坩堝做垂直運(yùn)動(dòng);和加熱坩堝側(cè)壁的另一加熱器。
10.通過(guò)拉出盛在坩堝中的熔融硅來(lái)生產(chǎn)硅單晶的一種硅單晶的制備方法，其中改進(jìn)包括步驟用圓筒形加熱器將坩堝中的熔融硅分隔成兩部分，使該加熱器包圍著從熔融硅中拉出的硅單晶;用安置在坩堝外面的另一加熱器加熱坩堝中的熔融硅;用圓筒形加熱器主要加熱在該圓筒形加熱器外側(cè)的熔融硅以保持在該圓筒形加熱器外側(cè)的熔融硅的熔體溫度高于硅的熔點(diǎn)至少12℃以上;從圓筒形加熱器的內(nèi)側(cè)拉出硅單晶;和在圓筒形加熱器的外側(cè)加入顆粒硅;和圓筒形加熱器外側(cè)的熔融硅通過(guò)它的底下向圓筒形加熱器的內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。
11.通過(guò)拉出盛在坩堝中的熔融硅來(lái)生產(chǎn)硅單晶的一種硅單晶制備設(shè)備，其中改進(jìn)包括安置在坩堝詰腦餐殘渭尤繞靼ё糯尤廴詮柚欣齙墓璧ゾ?，使该加壤@饔脎巔齙撞恐湫緯煞煜?，壹s敖巔齜指舫傻ゾで圖恿锨 安置在加料區(qū)上方的顆粒硅加料器。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至10任意一個(gè)的制備設(shè)備，其中在加料區(qū)中熔融硅與坩堝的接觸面積配置為在整個(gè)坩堝中熔融硅與坩堝接觸面積的30-75%，以及其中在加料區(qū)中熔融硅的自由表面積配置為在整個(gè)坩堝中熔融硅自由表面積的10-75%。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于用切克勞斯基法(Czochralskimethod)制備硅單晶的方法和設(shè)備，其中包括步驟分隔盛熔融硅的坩堝為單晶生長(zhǎng)區(qū)和外加料區(qū)以使熔融硅運(yùn)動(dòng)緩慢，以及一面給加料區(qū)連續(xù)地加入硅原料一面從單晶生長(zhǎng)區(qū)拉出硅單晶，其中改進(jìn)包括加料區(qū)和熔融硅的溫度保持在高于硅的熔點(diǎn)至少12℃以上。
文檔編號(hào)C12N9/92GK1038123SQ8910311
公開(kāi)日1989年12月20日 申請(qǐng)日期1989年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月13日
發(fā)明者神尾寬, 荒木健治, 島芳延, 鈴木真, 風(fēng)間彰, 堀江重豪, 中濱泰光 申請(qǐng)人:日本鋼管株式會(huì)社